左磊
合肥工业大学
摘要：驱动桥桥壳作为重卡车辆底盘关键的组件之一，具有非常重要的作用。在汽车行驶过程中，驱动桥壳保护内部的传动系统并承载车架及其上的载荷，若其失效则会影响到车辆的行驶功能，桥壳自身的刚度和强度是较为关键的参数指标，在某种程度上决定了车桥自身的传动效率[[参考文献：
[] S.Suerhs.材料的疲劳[M].北京:国防工业出版社,1999.]]。目前国内的中大型矿区路况恶劣以及超载现象严重，驱动桥桥壳在重载下承受反复扭摆和冲击等容易发生开裂，断裂等失效形式，每年桥壳的失效给企业和客户带来巨大损失。本文采取将桥壳疲劳寿命作为优化目标进行优化分析，并将拓扑优化与多目标优化相结合对桥壳进行了局部加强设计。
关键词：铸钢桥壳；有限元分析；结构改进
前言
由于桥壳结构复杂并且在工作中受交变载荷，使用传统的计算方法不能精确得还原桥壳的应力大小，合理运用有限元分析软件可以有效快速解决这一难题。本文将多体动力学软件以及有限元分析软件结合应用，分析矿用自卸车用车桥桥壳的疲劳特性，并结合仿真得出的结果与桥壳在市场上实际出现的故障模式分析桥壳的薄弱点。在在此基础上结合运用拓扑优化以及多目标优化对桥壳盘面与肩部结构重构，获取合理省材的优化改进方案。本文的研究结果后续可以为企业在驱动桥壳的设计以及局部结构优化改进提供参考。
1桥壳盘面与肩部结构设计
1.1桥壳盘面拓扑优化
针对桥壳盘面位置的结构优化设计，需要避让差速锁以及主减速器总成的轴承盖，并预留一定间隙防止在实际使用过程中产生相互挤压碰撞现象。由于桥壳盘面与主减速器壳有配合定位的功能且此处铸造成型后需要进行机加工，所以盘面结构要求简单且对称。为避免应力集中现象，对过渡区域使用圆弧过渡。
（1）设计空间设定
本次改进主要目的为改善桥壳盘面的疲劳寿命，对其他结构不做改动。因此将设计空间选定为盘面所增加的材料，为保证拓扑优化结果为对称结构，将设计空间也设置为左右、上下对称结构。
（2）约束条件设定
本次改进主要目的是优化桥壳盘面位置的疲劳寿命值，对桥壳中段其余位置的疲劳寿命值暂不做约束。因此将约束条件设定为桥壳盘面位置当量寿命不低于80000km。同时将拓扑优化结果设定为对称结构，设置一个对称面。
（3）目标函数设定
本次拓扑优化的目的是省材并且控制桥壳重量，因此将目标函数设定为桥壳中段体积最小。
（4）桥壳盘面拓扑优化结果分析
拓扑优化结果显示，盘面左右侧适宜采用圆角而非改进前的直角，左右侧圆弧张角角度约。桥壳盘面与主减速器壳盘面止口有定位配合要求，并且在铸造成型后需对盘面进行机加工，因此要求盘面结构设计简单易加工。将左右侧圆弧与上下侧采用直线连接，避免出现复杂多边形结构。为避免出现生产装配不便以及受力时应力集中现象，盘面过渡区域均采用圆角过渡。因此确定了桥壳盘面的基本结构，对盘面过渡圆角等参数通过后文优化设计确定。
1.2桥壳肩部加强筋方案确定
桥壳肩部布置加强筋时需要注意避让后期装配的板簧安装座以及推力杆支座，因此起筋点高度需要限制在安装面以下。为达到提高桥壳刚度效果，设定加强筋长度纵贯整个桥肩。因桥壳肩部上方中间位置开有通气孔，为避让该结构上方采用双加强筋对称布置，下方采用单加强筋中置。因此确定了桥壳加强筋的基本结构。对桥壳加强筋的宽度等参数通过后文的优化设计确定。
2桥壳多目标优化
2.1设计变量设定
对于盘面过渡R角、盘面厚度值等参数不能直接作为设计变量参与多目标优化分析，需先运用网格变形技术将其转化为可变的形状变量，并且该形状变量可以直接被Hyperstudy引用和修改。运用参数化网格变形可以大大减少重复建模的工作量和时间，对于变量多且模型复杂运算时间长的分析等有很大帮助，运用将表1中参数设置为设计变量[[[]洪清泉.Optistruct&Hyperstudy理论基础与工程应用[M].北京：机械工业出版社，2013.]][[[]张胜兰.基于Hyperworks的结构优化技术[M].北京：机械工业出版社，2007]]。
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2.2抽样试验方法选择
由于桥壳是一个较为复杂的结构体，在优化过程中如果直接使用有限元模型对其进行相应的优化，则会导致运算量很大且耗费的时间很多。因此在优化过程中为了提高优化效率，本文建立了桥壳设计参数与设计目标值间的近似模型。根据前面选取的设计变量，运用抽样方法进行试验设计。依上文所述完成桥壳的各形状变量创建后，在Hyperstudy中进行多目标优化。首先需要对各形状变量进行试验设计，目的是在整个设计空间中选择相对数量的点用于反映整个空间的特点。
运用软件按照前文所述拉丁方抽样方法得到50组样本点，并按照给出的样本点基于桥壳进行参数化建模。Hyperstudy可以与Hypermesh结合，自行完成运用网络变形技术对桥壳有限元模型修改工作。所以每一组样本点都是一个新的桥壳有限元模型，这样就可以得到50组试验数据。
2.3 Kriging响应面近似模型
根据前文所述，本课题涉及到的桥壳变量较多，且参数选择空间大。试验生成的样本点数量多，适宜采用响应面分析法来进行分析，并且选择出驱动桥壳优化设计的最佳方案[[[]王永菲,王成国.响应面法的理论与应用[J].中央民族大学学报(自然科学版),2005.
14(3):236~240. ]]。利用前文所述最优拉丁方抽样方法获取的50组数据，在优化软件Hyperstudy中建立了桥壳质量以及疲劳寿命的Kriging近似模型，建立近似模型时利用另外的10组样本点用于检验代理模型的精确程度。采用10组样本点对模型精度进行检测时，本文是通过决定系数来检验Kriging近似模型的精度的，的表达式为：
式中，为检验模型精度的数据点数量；第个响应的近似模型预测值；为第个响应值的仿真值；为平均值。决定系数越接近1时说明模型的精确度越高，本文中所建立Kriging模型的决定系数为0.944，说明模型的精确程度较高。
2.4桥壳的优化结果
在桥壳的目标参数中疲劳寿命是桥壳非常重要的参数，本文的优化目标即在保证桥壳疲劳寿命满足要求的情况下尽量控制桥壳的重量。在软件中采用优化算法提交运算，经过多次迭代运算最终得到一组最优解集，这一解集里面根据实际需求选择出一个解作为最终的优化结果。优化后UD1取值18mm，UD2取值14mm，FR1取值80mm，FR2取值135mm，FD1取值42mm。
将得到的最优解参数值，重新建立桥壳模型并对其进行疲劳寿命分析，测得重量为184kg。优化后的桥肩上方最小当量行驶里程为94920km，桥肩下方为84840km，桥壳盘面为119980km，相较于优化前已得到较大提升，理论上已经满足质保里程需求。
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4.6本章小结
本章节主要是对前节分析得出的桥壳盘面及肩部薄弱处进行局部的优化改进。首先运用拓扑优化对桥壳盘面进行了局部结构改进，将原先的双R角过渡结构改为单R角结构。后结合使用Hypermorph以及Hyperstudy对桥壳盘面R角、桥肩加强筋厚度等参数进行优化设计，最终实现了桥壳疲劳寿命的提升和整体重量控制的目标。